6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 1618 May 2011, Elazığ, Turkey Termik Türbinli Bir Alanlı Güç Sisteminin Bulanık Mantık Tabanlı Kontrolör İle Yük Frekans Kontrolü Analizi II. GÜÇ SİSTEMİNİN MODELLENMESİ B.Taşar 1, R.Tutuş 2, M.Özdemir 3 1 University of Firat,, Department of Mechatronics Engineering, Elazig/Turkey,btasar04@hotmail.com 2,3 University of Firat, Department of Electrical and Electronics Engineering, Elazig/Turkey, mozdemir@firat.edu.tr Load Frequency Control of Power System with Thermal Turbine and an Area by Using for Fuzzy Logic Based Controller Abstract A transmission network frequency and voltage stability are important factors that determine the production of quality power, so active and reactive power control system of electrical energy sufficient to know the vital role and show the desired behavior.in this study, a twoarea thermal power system simulation of Matlab / Simulink program carried the burden of the system frequency change in response to changes in the first speed control, supporting speed control, the classical PI controller, by applying fuzzy logic control methods were examined and compared. Transition periods and steady state frequency change corresponds to changes in the load are evaluated. Keywords: Frequency control, fuzzy logic control, active power control. I.GİRİŞ Bir güç sisteminin kararlı çalışabilmesi için frekans sabit kalmalıdır. Sabit frekansta çalışabilme güç dengesi için söz konusudur. Sistemde üretilen aktif gücün toplamı, aktif yükler, kayıplar ve sistemin dışında bağlantı hatları üzerinden akan güç toplamına eşit olmalıdır. Bu denge bozulduğu zaman sistem frekansı değişmeye başlar. Sistemin frekansı aktif güç dengesine bağlıdır. Sistem frekansının kontrolü için uygulanan yöntemler, güç sistemlerinde üretim birimleri olarak yer alan senkron generatörlerin hızlarının kontrolü esasına dayalıdır. Birden fazla senkron generatörün yani üretim biriminin bulunduğu güç sistemlerinde frekans bütün üretim birimlerinde ortak bir faktör olduğu için, üretim birimlerinden herhangi birinde meydana gelecek aktif güç talebinde ki değişim bütün sistem üzerinde etkilidir. Her bir üretim biriminde ki hız regülatörleri (devir sayısı regülatörleri) merkezi kontrolde ortaya çıkan ilk hız kontrol fonksiyonlarını sağlar. İki veya daha fazla bağımsız kontrol alanın bulunduğu enterkonnekte güç sisteminde, frekans kontrolüne ilave olarak, her üretim biriminin ürettiği gücün, belirlenmiş üretim gücünü sağlayıp sağlayamadığı da kontrol edilmelidir. Bu amaçla destekleyici (ikincil) hız kontrol yöntemleri kullanılır. Üretim ve frekansın kontrolü yük frekans kontrolü ya da otomatik üretim kontrolü olarak isimlendirilir [2]. A. Termik Türbin Modeli Bir buhar türbini, yüksek basınç ve yüksek sıcaklığa sahip buharda depolanan enerjiyi, mekanik enerjiye dönüştürerek generatöre giriş mekanik enerjisini sağlar. Buhar kazanı için gerekli olan ısı kaynağı ise bir nükleer reaktör veya fosil yakıtlardan elde edilir [13].Kazan için buhar oluşum hızı denkliği yazılacak olursa; Bu eşitlikte, W:Kazandaki buharın ağırlığı (kg)=vx V:kazanın hacmi (m 3 ) :buhar yoğunluğu (kg/ m 3 ) Q:Buhar kütlesi çıkış hızı(kg/s) t:zaman (s) dır. Kazandaki dışarı buhar akışının kazandaki basınç ile doğru orantılı olduğu varsayımı ile olur. Bu eşitlikte; P:Kazandaki buhar basıncı P 0 :nominal basınç Q 0 :kazandaki nominal buhar çıkış değeridir. bulunur. Burada dir. (1) (2) (3) (4) (5) yada; (6) 77
B.Taşar, R.Tutuş, M.Özdemir olarak yazılabilinir. Bu eşitlik buhar kazanının transfer fonksiyonunu gösterir ve T v kazanın zaman sabitidir. B. Hareket Denklemi ve Yük Modeli Buhar türbinden elde edilen mekanik enerji türbine bağlı olan senkron generatöre giriş enerjisi sağlar. Generatör hareket denklemi ifadesinden de yorumlanabileceği gibi girişe uygulanan mekanik güç çıkışta üretilecek olan elektriksel çıkış gücünü, atalet momentini ve sürtünme ve diğer kayıp güçleri karşılamalıdır [12]. (Türbin ve generatörden oluşan tahrik sisteminin hareket denklemi) Güç ve moment arasında rotor hızı ile orantılı bir eşitlik söz konusudur. (7) C. (Speed droop) Regülatör modeli Paralel çalışan iki ya da daha fazla sayıda birim arasındaki kararlı yük paylaşımı için, yük artarken hız azalacak şekilde bir özelliğe sahip olan (proporsiyonel) devir sayısı regülatörü kullanılır [1]. Vana /Kapı Buhar yada su Y Türbin R P m integratör K ω r + + G P e : Ölçülen hız 0 :Referans hız dir. olup, (9) (10) Şekil 4: Hızda azalma özelliğine sahip devir sayısı regülatörünün blok diyagramı (10) eşitliğinden yararlanılarak rotor hızı ve güç arasındaki transfer fonksiyonunu veren blok diyagramı Şekil 1 deki gibi elde edilir. + Şekil 5: Hızda azalma özelliğine sahip devir sayısı regülatörünün transfer fonksiyonu Y P e Şekil 1: Hız ve güç arasındaki transfer fonksiyonu Genellikle güç sisteminde ki yükler çeşitli elektriksel cihazların bir bileşimidir. Aydınlatma ve ısıl yükler gibi omik yükler için, elektriksel güç frekanstan bağımsızdır. Fanlar ve pompalar gibi motor yükü durumunda ise, elektriksel güç motor hızında ki değişmeler nedeni ile frekans ile değişir. Bu tür yüklerin frekansa bağlı karakteristiği (11) eşitliğindeki gibi ifade edilebilir; (11) Burada D sönüm sabitidir. Eşitliğin sağ ilk tarafı frekansa duyarsız yük değişimini yani omik yükleri, ikinci kısmı ise frekansa duyarlı yük değişimini yani motor yüklerini ifade etmektedir. Bu eşitlik blok diyagramı olarak ifadesi Şekil 2 deki gibidir. + w r Şekil 2: Frekans değişimine karşılık yükün değişimi + P L P L Şekil 3: Frekans değişimine karşılık yükün indirgenmiş değişiminin D 78 (12) (13) Vana/kapak durumu Y ya da çıkış gücü değişimine göre hız sapması oranı w r yada frekans değişimi oranı R ye eşittir. R hız düşmesi yada regülasyon olarak tanımlanır. Yüzde olarak aşağıda ki gibi ifade edilir. burada, w NL : yüksüz durumda sürekli durum hızı w FL : tam yükte sürekli durum hızı w 0 : nominal hızı (14) gösterir. Örneğin %5 regülasyon,%5 lik frekans değişimi güç çıkışı yada vana konumunda %100 lük değişime neden oluyor demektir. 3. GÜÇ SİSTEMİNİN HIZ KONTROL YÖNTEMLERİ A. İlk Hız Kontrol Yöntemi Primer kontrol olarak da isimlendirilen bu kontrol döngüsünde üretilen güç, sistemdeki toplam yüke eşittir. Bu olay sonucunda üretilen ve tüketilen güç miktarı eşitlenirken, frekansta R eğimine bağlı olarak bir miktar kayma olur. R katsayısını belirleyen kullanılan hız regülatörünün özelliğidir. İlk hız kontrol hareketi ile sistem yükündeki değişim, yükün referans duyarlılığına ve devir sayısı regülatörü düşü karakteristiğine bağlı olarak, sürekli durum frekansında bir değişime yol açar. Bu güç sistemlerinde istenmeyen
Termik Türbinli Bir Alanlı Güç Sisteminin Bulanık bir durumdur. Sistem frekansının yük değişimi ne olursa olsun sabit kalması esastır[1,2]. Tahrik makinalarının hızlarındaki değişim: (14) Üretim birimlerindeki üretim değişim miktarı: (15) B. Destekleyici (İkincil) Hız Kontrol Yöntemi Sekonder kontrol olarak da isimlendirilen destekleyici hız kontrolünün amacı: Şekil 6: Hata (ACE) ye ait üyelik fonksiyonu 1. Hız regülatörlerinin eğimli karakteristiklerinden dolayı meydana gelen frekans kaymalarını düzeltmek 2. Güç sistemleri ile bağlantı hatları üzerindeki güç akışını, anlaşmalar çerçevesinde ayarlamak ve hız regülatörlerinin doğal davranışları sonucu grupların paylaştıkları yükü ekonomi ve emniyet kriterlerine göre gruplar arasında yeniden düzenlemektir. Destekleyici hız kontrolü frekans üretim karakteristiğinin kaydırılması ile elde edilir. Var olan yük şartlarında her ikincil regülasyon adımını bir hız ayarı takip eder. Yani toplam yük ile toplam üretim eşitlenmiş olur [1,2]. İkincil kontrol olmadığı güç sisteminde belirli bir yük değişimi bulunduğunda frekans belirli değerde sabitlenebilir ancak nominal değerine geri getirilemez. Sistem frekansını nominal değerine geri getirebilmek için destekleyici kontrole gerek duyulmaktadır. Destekleyici kontrol birimi farklı şekillerde oluşturulabilir. Oransal İntegral kontrol (PI) ve bulanık mantık tabanlı PI kontrol (BPI) yöntemleri bu çalışmada kullanılan yöntemlerdir. Şekil 7: Hatadaki Değişim (DCE) ye ait üyelik fonksiyonu a. Destekleyici PI Hız Kontrol Yöntemi Oransal integral kontrolü sayesinde yük değişimi nedeni ile oluşan frekans hatası belirli bir zaman aralığı sonunda sıfır değerine gelir. Hata sıfır yapıldıktan sonra hız regülatörü referans değeri sabit bir yük değerine ayarlamış olur.[7,8] b. Destekleyici Bulanık Mantık Tabanlı PI Hız Kontrol Yöntemi (BPI) Bulanık mantık tabanlı kontrol sayesinde yük değişimi nedeni ile oluşan frekans hatası integral kontrol geri beslemeli güç sistem modelinden daha kısa bir zaman aralığı sonunda sıfır değerine gelir. Bu kontrol yapısında sistem kararlılığı daha kısa sürede ve daha az frekans salınımı ile sağlanmaktadır. Hata sıfır yapıldıktan sonra hız regülatörü referans değeri sabit bir yük değerine ayarlamış olur.[4,5,6] Bulanık mantık kontrolörün özelliğini belirleyen üyelik fonksiyonları Şekil 68 deki gibidir. Şekil 8: w(hız) ye ait üyelik fonksiyonu Bu çalışmada kullanılan Bulanık mantık kural tablosu Tablo 1 de yer almaktadır. Tablo 1. Bulanık mantık kontrolör için kullanılan kural tablosu ACE/ DACE NÇB NB NO NK S PK PO PB PÇB NÇB PÇB PÇB PÇB PB PB PO PO PK S NB PÇB PB PB PB PO PO PK S NK NO PÇB PB PO PO PK PK S NK NO NK PB PB PO PK PK S NK NO NO S PB PO PK PK S NK NK NO NB PK PO PO PK S NK NK NO NB NB PO PO PK S NK NK NO NO NB NÇB PB PK S NK NO NO NB NB NB NÇB PÇB S NK NO NO NB NB NÇB NÇB NÇB 79
B.Taşar, R.Tutuş, M.Özdemir 4. GÜÇ SİSTEMİNİN MATLAB/SİMULİNK PROGRAMI İLE SİMÜLASYONU VE GRAFİKSEL BULGULAR Şekil 9 da iki alanlı güç sistemi termik türbin modeli esas alınarak tasarlanmış simülasyon bloğuna yer verilmiştir. Güç sistemine ait simülasyon parametreleri: R=2.4 Hz/ p.u MW, T g =0.8 sn, T ch =0.3sn, K=0.5, P R= 0.1ve 0.2 pu, K p =1/D =0.0083Hz/ p.u MW Şekil 1: Durum 1 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü Şekil 2: Durum 3 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü Şekil 9: Termik türbin modelli güç sisteminin yük frekans kontrol uygulaması için tasarlanmış modeli Tablo 2: İncelenen durumlar İcelenen Durumlar: Durum 1: R=1.2 Yük değişim + 0.1 pu Durum 2: R=1.2 Yük değişim 0.1 pu Durum 3: R=1.2 Yük değişim + 0.2 pu Durum 4: R=1.2 Yük değişim 0. 2 pu Regülasyon katsayısının etkisini yorumlamak için: Durum 5: R=2.4 Yük değişim + 0.1 pu Durum 6: R=2.4 Yük değişim 0.1 pu Şekil 3: Durum 2 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü Şekil 4: Durum 4 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü 80
Termik Türbinli Bir Alanlı Güç Sisteminin Bulanık Şekil 5: Durum 6 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü Şekil 5: Durum 5 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü sistemlerde güç üretiminin zamana göre değişimi 6.SONUÇLAR Şekil 5: Durum 5 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü Bu çalışmasında enterkonnekte sisteme bağlı bir alanlı termik bir güç sisteminin yüke bağlı olarak frekans değişiminin kontrolü ilk hız, destekleyici Klasik PI kontrolör ve Bulanık mantık tabanlı PI kontrolörleri ile yapılmış ve 4 farklı yük durumu ve 2 farklı regülasyon katsayısı durumunda frekansın değişimi karşılaştırılmalı olarak analiz edilmiştir. İlk hız kontrolünün uygulandığı bir alanlı güç sisteminde yük değişimi sırasında frekans değerinin değiştiği ve nominal değeri yakalayamadığı gözlendi. Sisteme destekleyici PI kontrolör eklenerek farklı yük değişimlerinde sistem frekansının değişimi incelendiğinde kontrolör ile nominal frekansın yakalandığı yani frekans hat değerinin sıfır olmasının sağlandığı gözlemlenmiştir. Bulanık mantık tabanlı kontrolör tasarımı da gerçekleştirilerek sistemin daha kısa sürede kararlı duruma geçmesi hedeflendi ve elde edilen grafiksel sonuçlardan da görüldüğü gibi BPI ile sistem bozucu etki karşısında daha az frekans osilasyonu ile ve daha kısa sürede kararlı duruma erişmektedir. Bu çalışmada incelenen bir diğer parametre ise R regülasyon katsayısının sistem performansına etkisidir. Regülasyon katsayısı azaldıkça ilk hız kontrollünün uygulandığı sistemlerde sürekli durum hız hatası azalmaktadır. Destekleyici hız kontrolüne regülasyon katsayısının etkisi ise rotor hızının daha az osilasyon ile ve daha kısa sürede sürekli durum hızına ulaşmasında etkili olduğu gözlemlenmiştir. KAYNAKLAR Şekil 5: Durum 6 için İlk hız kontrol, PI kontrolör ve BPI kontrollü sistemlerde güç üretiminin zamana göre değişimi [1] Demirören A., Elektrik Enerji Sistemlerinin Kararlılığı Kontrolü ve Çalışması, Birsen Yayınları, İstanbul, 2004. [2] Parlak Ş., Enterkonnekte Güç Sisteminde YükFrekans Kontrolünün İncelenmesi, Doktora Semineri, Fırat Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği, Elazığ, 2002. [3] Kundur P., Power System Stability and Control, Mc GrawHill, New York,1993. [4] Kocaarslan, İ.,Cam E., Fuzzy logic controller in interconnected electrical power systems for loadfrequency contro, Electrical Power and Energy Systems 27 (2005) 542 549, Received 5 May 2004; revised 17 May 2005; accepted 23 June 2005. [5] Kocaarslan, İ., Cam E., Load frequency control in two area power systems using fuzzy logic controller, Energy Conversion and Management 46 (2005) 233 243, Received 18December 2003; accepted 21 February 2004,Available online 15 April 2004. [6] Çam E. Application of fuzzy logic for load frequency control of hydroelectrical power plants, Energy Conversion and Management 48 (2007) 1281 1288, Received 13 March 2006; accepted 27 September 2006,Available online 5 December 2006. [7] Taşar, B., Özdemir, M., ' İki Alanlı Termik Güç Sisteminde Yük Frekans Kontrolü, ElektrikElektronikBilgisayarBiyomedikal Mühendisliği, 13. Ulusal Kongresi, pp. 7378, ODTÜAnkara, 2326 Aralık, 2009. 81